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        車輛超聲測速儀

        2016-01-19 02:18:34,,,
        機(jī)械與電子 2015年10期
        關(guān)鍵詞:測速儀超聲波

        ,,,

        (西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院,陜西 西安 710129)

        Speedometer of Vehicle Based on Doppler

        BAN Jingxuan, LI Suilao,CHEN Shu,ZHOU Bo

        (School of Automation,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710129,China)

        車輛超聲測速儀

        班敬軒,李歲勞,陳淑,周博

        (西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院,陜西 西安 710129)

        SpeedometerofVehicleBasedonDoppler

        BANJingxuan,LISuilao,CHENShu,ZHOUBo

        (SchoolofAutomation,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710129,China)

        摘要:為車輛超聲測速儀的硬件設(shè)計、制作、調(diào)試和實驗,研制出了一臺車輛超聲測速儀原理樣機(jī)。設(shè)計了采用TMS320F28035為主控制器的超聲波測速儀各部分的硬件電路并對硬件電路進(jìn)行調(diào)試,最后用跑車實驗驗證了設(shè)計方案的可行性。

        關(guān)鍵詞:多普勒效應(yīng);超聲波;測速儀

        中圖分類號:TP368

        文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

        文章編號:1001-2257(2015)10-0048-03

        收稿日期:2015-07-03

        基金項目:西北工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(論文)重點扶持項目

        Abstract:The paper includes the vehicle speedometer ultrasound hardware design, production, testing and experimentation, the target is to develop a prototype vehicle ultrasound velocimetry.Designing every part of a ultrasonic velocimetry hardware circuit using TMS320F28035 and testing prototype hardware circuit.Using ultrasound velocimetry to perform car speedometer experiment.The experimental results showed that: vehicle velocimetry meets basic design requirements.

        作者簡介:班敬軒(1991-),男,內(nèi)蒙古巴彥淖爾人,碩士研究生,研究方向為控制工程;李歲勞(1964-),男,陜西寶雞人,副教授,碩士研究生導(dǎo)師,研究方向為慣性導(dǎo)航和組合導(dǎo)航、計算機(jī)測控等。

        Keywords:dopplereffect;ultrasonic;speedometer

        0引言

        傳統(tǒng)的速度表或里程儀、全球定位系統(tǒng)GPS和慣性加速度計是當(dāng)前測量汽車速度的主要方式,但是存在受環(huán)境影響大、易受干擾等缺點。因此,迫切需要研究和尋找其他方法精確測量汽車速度,基于多普勒效應(yīng)的測速技術(shù)這時候進(jìn)入了科研人員的視線。

        1工作原理

        當(dāng)波源與接收物體之間存在相對徑向運動時,接收物體接收到的聲音頻率與波源發(fā)射的信號頻率不一致,這種就是多普勒效應(yīng)。只需測量接收信號和發(fā)射信號的頻率差,就得到汽車速度。

        車輛多普勒測速原理示意圖如圖1所示,假設(shè)發(fā)射信號的頻率為f0,汽車沿水平方向的速度為v,那么在P點接收到的頻率為:

        O′點接收到的頻率為:

        圖1 測速原理

        多普勒頻移為:

        根據(jù)此公式可解算車輛速度v。由于α和α′相差很小,波速c遠(yuǎn)大于車速v,可將公式簡化為:

        2系統(tǒng)硬件設(shè)計

        多普勒測速儀的硬件系統(tǒng)包括電源、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、RS232接口、主控制器模塊等,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        主控制器選擇TMS320F28035芯片,采用開關(guān)電源芯片TPS5410[3-]4]和線性穩(wěn)壓電源芯片LM1117-3.3為系統(tǒng)提供5V和3.3V電源,下面詳細(xì)介紹發(fā)射電路和接收電路。

        2.1 發(fā)射電路

        超聲波探頭選擇基于壓電效應(yīng)的傳感器,超聲波發(fā)射模塊脈沖源來自控制器,由于控制器輸出信號的電流小,如果直接驅(qū)動超聲換能器,輸出的聲波信號也很微弱,以至于很難接收到回波信號,所以,發(fā)射模塊需要設(shè)計功率放大電路。

        設(shè)計了使用MAX232芯片的功率放大電路。MAX232芯片是單電源電平轉(zhuǎn)換芯片,利用其內(nèi)部的電平轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)對輸入信號的功率放大。

        發(fā)射電路圖如圖3所示。圖中C4和C7是儲能電容,C5和C15是濾波電容。由于MAX232僅由+5 V單電源供電,為了得到±10 V的輸出電壓,采用電容C4和C5共同作用使V+端電壓升至+10 V。電容C7和C15實現(xiàn)V-端電壓由+10 V翻轉(zhuǎn)為-10 V,從而得到±10的電源電壓,±10 V電壓給內(nèi)部電平轉(zhuǎn)換電路供電,在輸入為0~3.3 V的情況下,輸出可達(dá)到±10 V。經(jīng)過MAX232放大后驅(qū)動電壓為20V,接收電路可以接收到比較清晰的回波信號。

        圖3 發(fā)射電路

        2.2 接收電路

        超聲波接收電路用來接收回波信號,由于換能器輸出的電信號太弱,根本無法分辨回波信號,而且信號噪聲很大,所以需要運算放大電路將信號放大并且需要濾波。設(shè)計一級帶通濾波放大電路如圖4所示。運算放大器選擇AD8606,單級一階高通濾波器的傳遞函數(shù)為:

        圖4 接收電路

        由于多普勒效應(yīng)回波信號的頻率應(yīng)滿足:40kHz≤f≤46kHz,所以參數(shù)選擇為:A=R2/R1=100,R1=1kΩ,R2=100 kΩ,C1=5 nF,C2=30 pF。

        由于AD8606由單電源+3.3V供電且回波信號以0V為對稱軸上下波動,為了對整個回波信號可以無失真的放大以便進(jìn)行后續(xù)的AD采樣,將回波信號向上平移1.65V。

        根據(jù)實驗,在設(shè)計的放大倍數(shù)下,回波信號可以被不失真的放大,而且放大倍數(shù)也留有余量,使得反射距離由于車輛顛簸變小時,回波信號也可以被不失真的放大。

        3跑車實驗

        3.1 跑車實驗數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計

        在跑車實驗中,為了便于調(diào)試算法和觀察算法改進(jìn)的效果,設(shè)計如下的跑車實驗采集程序,將超聲波回波信號采樣值發(fā)送到計算機(jī)上。

        使用定時器0控制GPI/O0和GPI/O1發(fā)送兩路互補的40kHz的方波脈沖;定時器2用于觸發(fā)AD,AD采樣頻率控制為800ks/s。

        數(shù)據(jù)發(fā)送采用查詢方式,考慮到車輛超聲測速儀原理樣機(jī)的安裝位置,為使數(shù)據(jù)傳輸可靠,設(shè)置波特率為38 400b/s。

        主程序流程圖如圖5所示。方波脈沖發(fā)送完畢后延時一定時間,關(guān)閉CPU定時器0,開啟AD;對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,在主程序中測量零位值并根據(jù)程序設(shè)定的閾值判斷回波是否到達(dá),沒有到達(dá)則等待,如果AD緩沖區(qū)存滿回波都沒有到達(dá)則重新發(fā)送方波脈沖;如果回波到達(dá),采樣2 200個點,開始采用過零檢測法進(jìn)行多普勒頻移和速度結(jié)算。

        圖5 主程序流程

        數(shù)據(jù)處理完畢后將數(shù)據(jù)向上位機(jī)發(fā)送,數(shù)據(jù)存為.txt格式文件,文件名為當(dāng)前系統(tǒng)時間。

        3.2 實驗結(jié)果

        車輛使用慣導(dǎo)實驗車,地點選擇環(huán)山公路。使用多普勒測速儀上位機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件接收實時跑車實驗數(shù)據(jù),經(jīng)過測速算法計算,得到車輛的行駛速度。

        光電里程儀與多普勒測速儀跑車實驗數(shù)據(jù)如圖6所示,其中虛線代表光電里程儀速度曲線,實線代表多普勒測速儀速度曲線。圖中縱軸為速度(km/h),橫軸為時間,格式為“(時刻-8)×3600+min×60+s”,比如X軸15 150s表示中午12時12分30秒。實驗結(jié)果表明,多普勒測速儀速度曲線與光電里程儀的速度曲線基本一致,可以反應(yīng)速度變化。但是在某些時段,多普勒測速儀測得的速度誤差太大,這可能是由于車輛的抖動,安裝探頭的晃動,探頭指向性較差等因素造成的。

        圖6 里程儀速度曲線

        4結(jié)束語

        設(shè)計了車輛超聲測速儀的硬件,克服了傳統(tǒng)測速方式受環(huán)境因素影響大、抗干擾能力差等缺點。但是精度有待提高,為了提高精度,可采取的措施是,選擇指向性能好、功率大的超聲傳感器;設(shè)計使用變壓器發(fā)射電路,提高發(fā)射信號功率;使用MEMS陀螺測量車輛顛簸角,補償顛簸引起的誤差。

        參考文獻(xiàn):

        周健. 用于車載自主導(dǎo)航激光多普勒測速儀的初步研究.長沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2011.

        劉立財.多普勒效應(yīng)及其應(yīng)用.科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2007(35):249-250.

        AbrahamI,Pressman.SwitchingPowerSupplyDesign.北京:電子工業(yè)出版社,2006.

        慕丕勛,馮桂林.開關(guān)穩(wěn)壓電源原理與實用技術(shù).北京:科學(xué)出版社,2006.

        毛劍波.壓電陶瓷換能器在超聲波測距儀中的應(yīng)用.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2005,28(6): 696 -698.

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        《輕工機(jī)械》2016年征訂啟事

        《輕工機(jī)械》雜志(刊號:CN33-1180/TH,ISSN1005-2895),創(chuàng)刊于1983年,由中國輕工機(jī)械協(xié)會、中國聯(lián)合裝備集團(tuán)有限公司與輕工業(yè)杭州機(jī)電設(shè)計研究院聯(lián)合主辦,是一份在國內(nèi)有較高影響力、歷史悠久的輕工機(jī)械領(lǐng)域的專業(yè)性科技期刊。以報道輕工機(jī)械、自動化技術(shù)、機(jī)電一體化、工藝設(shè)計及其應(yīng)用為特色。

        ●雙月刊,大16開,每冊定價10.00元,全年60.00元。

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